DE1704178A1 - Verfahren zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folien aus thermoplastischem Material mittels Ultraschall - Google Patents

Description

• Verfahren zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folien aus thermoplastischem Material mittels Ultraschl Es ist bekannt, durch Einwirkung von Ultraschallenergie Folien aus thermoplastischem Material miteinander zu verschweissen. Hierzu ist es meistens erforderlich, dass die Schwingung senkrecht zu der Oberfläche erfolgt, an der eingestrahlt wird, und damit auch zu der Ebene, längs der die Verschweissung erfolgen soll. Nur bei wenigen Kunststoffen ist es gleichgültig, in welcher Richtung der Schwingungsvektor liegt. Es ist daher üblich, mit Longitudinalwellen zu arbeiten und mittels einer stabförmigen, in axialer Richtung zu Resonanzschwingungen angeregten Sonotrode senkrecht oder fast senkrecht zur Oberfläche des Schweissgutes einzustrahlen. Letzteres kann zum Nahtschweissen auf einen rotationssymmetrischen, drehbaren Amboss aufgelegt und zwischen diesem und der schwingenden, aber nicht drehbaren Sonotrode durchgezogen werden.
• Bei diesem Verfahren ist es sehr nachteilig, dass infolge des erforderlichen Anpressdruckes der Sonotrodenspitze ein leichtes Gleiten der zu verschweissenden Folien nicht erzielbar ist, dass hier vielmehr eine starke Reibung auftritt und dass infolgedessen die meist weichen und elastischen Folien sich verziehen und Falten werfen. Es wurde auch versucht, Kunststoff-Folien mittels solcher scheibenförmiger Sonotroden zu verschweissen, mit denen man sonst üblicherweise Metallfolien verschweisst.
• In Rollnaht-Schweissmaschinen für Metalle sind Amboss und Sonotrode rotationssymmetrisch und drehbar gelagert, die Reibung zwischen dem Schweissgut und diesen beiderseits mit Druck anliegenden Rollen daher auf ein Minimum beschränkt. Bei diesem Verfahren schwingt aber die das Schweissgut berührende, zylinderförmige Oberfläche der Sonotrode parallel zur Oberfläche des Schweissgutes; es werden Transversalwellen in die Kunststoff-Folie eingestrahlt, die zum Verschweissen von Metallfolien zweckmässig, für Kunststoff-Folien aber meist ungeeignet sind Erindungsgemäss werden diese Nachteile vermieden durch ein Schweissverfahren mit rotierender Sonotrode, die mit ihrer das Schweissgut berührenden, zylinderförmigen Oberfläche überwiegend in radialer Richtung schwingt. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird störende Reibung vermieden und werden in das Schweissgut die zum Verschweissen notwendigen Longitudinalwellen senkrecht auf die zu verschweissende Fläche eingestrahlt.
• Gemäss weiterer Erfindung soll hierzu vorzugsweise eine rotationssymmetrische Sonotrode verwendet werden, die mit dem selbst drehbar angeordneten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Schwingungserzeuger in den Achsen fluchtend verbunden ist, die aber dank ihrer besonderen Formgebung die parallel zu ihrer Achse angeregten Longitudinalschwingungen so umlenkt, dass ein bestimmtes achsenparalleles Stück ihrer Oberfläche ausschliesslich oder zum Teil in radialer Richtung schwingt. grösseren Die gewünschte Drehung des Schwingungsvektors um 900 kann man z. B. durch eine Sonotrode (Abb. 1) erreichen, die als k/2-Schwinger natürlich zweckmässigerweise auf die Eigenfrequenz des Schwingungserzeugers abgestimmt wird und so ausgebildet ist, dass nur ein Teil ihrer Gesamtlänge stabförmig ist und dort konstanten oder auch nicht konstanten Querschnitt besitzt, während der restliche Teil dieser Sonotrode sich zu einem ebenfalls rotationssymmetrischen Hohlkörper mit wachsendem Durchmesser ausweitet. Dieser Hohlkörper kann dabei zu sog. Weinglas-Schwingungen angeregt werden. Solche Weinglas-Schwingungen bestehen bekanntlich über wiegend aus radialen Schwingungskomponenten, wobei an den Stellen der stärksten Deformation (Schwingungsbauch) nur die radiale Komponente vorhanden ist. Bei einem rotationssymmetrischen, zu derartigen Weinglas-Schwingungen angeregten Hohlkörper verteilt sich die Lage der Schwingungsbäuche und -knoten statistisch beliebig auf den kreisförmigen Umfang. Auch andere Schwingungsformen mit radialen Schwingungskomponenten lassen sich in dieser Art anregen.
• In dem mit Abb. 1 gezeichneten Ausführungsbeispiel wird die Sonotrode am linken Ende (A) in axialer Richtung zu Longitudinalschwingungen angeregt - angedeutet durch den Doppelpfeil in horizontaler Richtung während der sich rechts anschliessende Hohlkörper in der Zone seines grössten Durchmessers (B) überwiegend die gewünschten Radialschwingungen ausführt und hier gegen das Schweissgut gedrückt wird. Es ist dabei zweckmässig, aber nicht Bedingung, den stabförmigen Teil der/2 Sonotrode etwa aufL/4 abzustimmen. Die Breite des Wulstes am rechten Ende des Hohlkörpers richtet sich nach der gewünschten Breite der Schweissnaht. Ein gewisser Nachteil dieser Sonotrode gemäss Abb. 1 ist allerdings, dass sie am rechten Ende, also dort, wo die radiale Schwingungskomponente am grössten ist, auch eine zur Achse parallele, longitudinale Schwingungskomponente besitzt, die für den Schweissprozess unwirksam bleibt.
• Eine weitere, erfindungsgemässe Sonotrodenart erzeugt durch Ausnutzung der Querkontraktion die radiale Schwingungskomponente, und zwar vorzugsweise in der Zone des Knotens ihrer eigenen Resonanzschwingung. Die im übrigen stabförmige Sonotrode trägt nahe den Schwingungsknoten einen ebenfalls rotationssymmetrischen Bund mit etwas grösserem Durchmesser (Abb. 2), Wieder wird die Sonotrode alsfV2-Resonator an der Stirnfläche A in üblicher Weise zu Longitudinalschwingungen angeregt, an der gegenüberliegenden Stirnfläche B liegt dann deren nächster Schwingungsbauch. In der Mitte, also im Schwingungsknoten K, ist bekanntlich die Amplitude der Longitudinals chwingung verschwindend gering, jedoch herrscht hier das Maximum der Zug- und Druckkräfte in axialer Richtung.
• Diese wiederum erzeugen über die Querkontraktion infolge der Inkompressibilität des verwendeten Materials (meist Stahl oder Aluminium) eine radiale Schwingungskomponente. Diese zylindrische Oberfläche des Bundes mit verstärktem Durchmesser soll zum Nahtschweissen benutzt werden0 Diese Form der Sonotrode lässt eine Transformation der relativ kleinen Radialschwingungen zu grösseren Amplituden nicht zu, weil der'Durchmesser der Sonotrode an dieser Stelle am grössten sein muss, um mit dem in der Zone K angebrachten Bund nahtschweissen zu können; aber für eine solche Amplitudentransformation wäre hier gerade ein kleinerer Durchmesser nötig, Eine weitere, mit Abb. 3 erläuterte Form der Sonotrode schafft hier erfindungsgemäss Abhilfe und lässt die gewünschte Vsstärkung der radialen Amplituden trotz wesentlich vergrössertem Durchmesser der zum Schweissen dienenden Zylinderfläche erzielen. Das Mittelteil der Sonotrode beiderseits des Schwingungsknotens K ist hier wieder als Hohlkörper ausgebildet, der in axialer Richtung im Rhythmus der anregenden Longitudinalschwingungen abwechselnd zusammengedrückt und auseinandergezogen wird, wodurch die Zone seines grössten Durchmessers zwangsweise und in verstärktem Masse Radialschwingungen ausführt. Da die Stelle des Schwingungsknotens K im Falle der Abb. 2 und 3 in axialer Richtung ruht, treten in beiden Fällen an dieser Stelle nur Radialschwingungen auf, die sich zum Nahtschweissen von Kunststoff-Folien am besten eignen.
• Mit Abb. 4 wird das erfindungsgemässe Prinzip, nach welchem axiale Longitudinais chwingungen verlustarm in Radials chwin gungen umgewandelt werden, nochmals mathematisch genauer erläutert. Die stabförmige Sonotrode ist in dieser Zeichnung zu einem Hantelschwinger entartet, der aus den beiden Massen M 1 und M 2 und einem Verbindungsteil besteht. In der Mitte zwischen diesen beiden Massen befindet sich bezüglich der Achse fluchtend der in axialer Richtung federnde Hohlkörper F, der ähnlich wie bereits in Abb. 3 aus zwei in der Zone ihrer grössten Durchmesser% zusammenstossenden Kegelmantelhälften besteht. Die beiderseitigen Kegelspitzen sind über strafe Stäbe geringer Masse mit M 1 und M 2 verbunden. Diese beiden Massen und die Federkraft des Körpers F sind so dimensioniert, dass die Eigenfrequenz der axial in Gegenphase schwingenden Massen möglichst genau in Resonanz ist mit der Frequenz des anregenden Schwingungserzeugers. Die beiden, in Gegenphase schwingenden Massen drücken ersichtlich die Feder F abwechselnd zusammen bzw. ziehen sie wieder auseinander. Bei völlig symmetrischem Aufbau, der aber nicht Voraussetzung ist, schwingt die Zone grossten Durchmessers des Federkörpers F mit maximaler Amplitude ausschliesslich in radialer Richtung, da diese Zone zugleich Schwingungsknoten für die Longitudinalschwingung des aus den beiden Massen $gebildeten Hantelschwingers ist und sonstige Komponenten nicht auftreten.
• Der hier erläuterte mathematische Hantelschwinger ist das Grundprinzip, nach dem erfindungsgemäss axiale Longitudinalschwingungen verlustarm in radiale Schwingungen umgewandelt werden können. Nach diesem Prinzip arbeiten theoretisch auch die in den Beispielen der Abb. 2 und 3 erläuterten Sonotrodenarten, auf die die Erfindung aber keineswegs beschränkt sein soll und zu denen es beliebig viele Abarten gibt, Insbesondere ist auch daran gedacht, aus fertigungstechnischen Gründen die optimale, in Achsrichtung spiegelbildliche, also symmetrische Anordnung durch eine unsymmetrische zu ersetzen, bei der der Federkörper F exzentrisch, also nicht in der Knotenebene, liegt.
• Im mathematischen Grenzfall kann die zweite Masse M 2 auch sehr gross gemacht werden, so dass sie praktisch in Ruhe bleibt und hinsichtlich der Schwingungsbewegung von M 1 wie ein Spiegel wirkt. Dann schwingt nur M 1 und erzeugt die gewünschten Radialschwingungen. Wird andererseits die Masse M 2 sehr klein gewählt, besteht sie praktisch also beispielsweise nur noch aus dem rechten hohlen tel des Federkörpers, dann arbeitet eine solche Sonotrode immer noch im gewünschten, erfindungsgemässen Sinne, nur ist dann die radiale Schwingungskomponente recht klein.
• Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich bevorzugt anwenden zum Verschweissen dünner Kunststoff-Folien bei hohen Geschwindigkeiten von beispielsweise 2 m/sec. Es lässt sich aber auch bei Punktschweissmaschinen erfolgreich einsetzen, bei denen Sonotrode und Amboss nicht rotieren, bei denen aber aus sonstigen technischen Gründen die Notwendigkeit besteht, die Richtung des Schwingungsvektors um 900 zu drehen. Dies ist z. B. immer dann nötig, wenn senkrecht über dem Schweissgut aus Platzgründen nicht die Bauhöhe' zur Verfügung steht, dae nötig wäre, um den Ultraschall-Schwinger mit der sonst üblichen stabförmigen Sonotrode zur Longitudinal-Einstrahlung unterzubringen. Im übrigen soll die Erfindung nicht auf die hier erläuterten Sonotrodenformen und Beispiele beschränkt sein.

Claims (1)

1. Patentanspruch Vfahr « zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folienaus thermoplastischem Material mittels Ultraschall, bei welchem das Schweiss gut zwischen einer rotationssymmetrischen, rotierenden Sonotrode und einem ebenfalls rctations symm etrischen, rotierenden Amboss hindurchbewegt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung einer auf die Eigenfrequenz des Schailkopfes abgestimmtenSonotrode, die derart geformt ist, dass bei stirnseitiger Ultraschall-Anregung der Sonotrode mit parallel zu deren Rotationsachse liegendem Schwingungsvektor die auf dem Schweissgut abrollende Zylinderfläche der Sonotrode möglichst genau in radialer Richtung schwingt oder mindestens mit einer solchen radialen Komponente, die nicht wesentlich kleiner ist als die nicht in radialer Richtung liegenden Schwingungskomponenten.

   Patentanspruch 2: Verfahren zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folien aus thermoplastischem Material mittels Ultraschall gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass mit einer rotationssymmetrischen Sonotrode (Abb. 1) geschweisst wird, die teilweise als Hohlkörper ausgebildet ist, der mit seiner äusseren Urnrandung an der Stelle seines grössten Durchmessers auf dem Schweiss gut abrollt und hier im wesentlichen in radialer Richtung schwingt.

   Patentanspruch 3: Verfahren zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folien aus thermoplastischem Material mittels Ultraschall gemäss Patentanspruch 1, daaiurch gekennzeichnet dass mit einer rotationssymmetrischen, im wesentlichen stabförmi gen Sonotrode (Abb. 2) geschweisst wird, die in der Zone des Schwingungsknotens ihrer axialen Longitudinalschwingungen oder in dessen Nähe ein Bund besitzt, dessen Oberfläche auf dem Schweissgut abrollt und infolge der Querkontraktion im wesentlichen in radialer Richtung schwingt.

   Patentanspruch 4: Verfahren zum kontinuierlichen Nahtschweissen von Folien aus thermoplastischem Material mittels Ultraschall gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass mit einer rotationssymmetrischen, auf dem grössten Teil ihrer Länge stabförmigen Sonotrode (Abb. 3) geschweisst wird, die in der Nähe ihres Schwingungsknotens die Form eines Hohlkorpers besitzt, der aus zwei an der Stelle ihrer grössten Durchmesser zusammenstossenden, federnden Kegelmantelhälften zusammengesetzt ist, dass dieser Hohlkörper zur Verstärkung der durch die Querkontraktion entstdienden Radialschwingungen dient und dass dieser Federkörper mit der an der Stelle seines grössten Durchmessers angedrehten Zylinderfläche auf dem Schweissgut abrollt.

   Patentanspruch 5: Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1 und 2, bestehend aus einer rc rotationssymmetrischen, zum Teil die Form eines Hohlkörpers besitzenden Sonotrode, die derart abgestimmt ist, dass die Resonanzfrequenz einer Biege- oder Weinglas-Schwingung des Hohlkörpers mit der Frequenz der anregenden, in axialer Richtung liegenden Longitudinaischwingung nahezu bzw. vorzugsweise genau übereinstimmt.

   Patentanspruch 6: Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1 und 3, bestehend aus einer rotationssymmetrischen, im wesentlichen stabförmigen Sonotrode, die vorzugsweise am Schwingungsknoten einen ebenfalls rotationssymmetrischen Bund mit vergrössertem Durchmesser trägt.

   Patentanspruch 7: Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1 und 4, bestehend aus einer rotationssymmetrischen Sonotrode mit zwei gleichen oder auch ungleichen Stabhalften gleicher oder ungleicher Masse, zwischen denen sich ein aus zwei in der Zone ihrer grossten Durchmesser zusammengesetzten, mit den beiden Stabhalften auf der gleichen Achse liegenden Kegelmantelhälften bestehender hohler Federkörper befindet, der durch die in Achsrichtung gegeneinander schwingenden Stabhälften abwechselnd zusammengelbpresst und auseinandergezogen wird, wobei die beiden Massen der Stabhälften und die durch den Hohlkörper gegebene Federkraft derart zueinander abgestimmt sind, dass für die in Achsrichtung erfolgende Dipol-Schwingung der beiden Massen Resonanz besteht mit der anregenden Longitudinalschwingung. L e e r s e i t e